ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2000 года по МПК H02K31/02 

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к электрическим машинам, частота вращения которых синхронизирована с частотой сети переменного тока.

Известны электромагнитные преобразователи энергии, в которых переменный во времени магнитный поток движется в пространстве, ограниченном геометрическими размерами магнитопровода (см., например, книгу "Магнитный поток и его преобразования", В.Ф. Миткевич.-М.-АНСССР, 1946, с. 177-178, рис. 98).

Недостатком данных преобразователей является то, что для получения постоянной составляющей ЭДС во вторичной обмотке ее потокосцепление должно всегда либо увеличиваться, либо уменьшаться, что невозможно осуществить (см., например, книгу академика В.Ф. Миткевича "Физические основы электротехники", изд. 3-е, Л. 1933, с. 82).

Известна машина постоянного тока, по назначению близкая к заявляемой электрической машине (см., например, книгу "Электрические машины", Л.М. Пиотровский -М. -Л. Госэнергоиздат, 1960, с. 31, рис. 1.3). Данная машина содержит ферромагнитный якорь, зафиксированный на валу, полюса с обмоткой возбуждения, обмотки якоря, уложенные в диаметрально противоположных пазах на внешней поверхности якоря, и токосъемный узел с неподвижными щетками. Основным недостатком данной электрической машины является наличие коллектора в силовой цепи якоря, что снижает ее надежность.

Наиболее близким аналогом предлагаемой электрической машины по совокупности существенных признаков является машина, содержащая обмотку якоря, расположенную в диаметрально противоположных пазах якоря и вращающуюся в постоянном магнитном поле, возбужденном обмоткой, намотанной на полюсах. При этом концы обмотки якоря соединены с токосъемными кольцами и через щетки с цепью нагрузки (см. , например, книгу "Электрические машины", Л.М. Пиотровский. - М. -Л. Госэнергоиздат, 1960, с. 30, рис 1.1). Недостатком данной электрической машины является невозможность получения постоянной составляющей ЭДС обмотки якоря без применения специальных коммутаторов. Проанализируем работу такой электрической машины при питании обмотки возбуждения от источника переменного напряжения, частота которого равна частоте вращения якоря, с целью выяснить, как влияет начальная фаза индукции возбуждения В и начальное положение обмотки якоря на ее ЭДС.

В общем случае (см., например, книгу "Методы релятивистской электродинамики в электротехнике", Э.А. Меерович.-М.-Л. Энергия, 1966, с. 12), когда контур совершает любое сложное движение в переменном магнитном поле, ЭДС в нем определяется уравнением
(1)
где S - площадь контура, пронизываемая магнитным потоком Φ, v - скорость перемещения элемента контура dl. Первое слагаемое в правой части уравнения (1) - ЭДС, возникающая в результате изменения магнитного потока, пронизывающего контур (трансформаторная ЭДС). Второе слагаемое - ЭДС, образованная в результате перемещения контура в поле (ЭДС движения).

В данной электрической машине результирующая ЭДС в витке обмотки якоря рассчитывается проще в связи с симметрией магнитной системы и обмотки якоря относительно ее оси вращения и при условиях синхронизации, описанных выше. Поток, сцепленный с витком обмотки якоря, изменяется периодически. Поэтому, зная законы изменения магнитной индукции во времени В(t) и площади S(t), пронизываемой магнитным потоком, можно записать выражение для его мгновенного значения
Φ(t) = B(t)•S(t), (2)
и найти результирующую ЭДС
(3)
В правой части уравнения (3) первый член - ЭДС вращения, второй - трансформаторная ЭДС. Обычно по контуру витка они имеют противоположные направления и такие мгновенные значения, что средняя за период ЭДС в витке равна нулю. Это возможно только при некотором "балансе" ЭДС вращения и трансформаторной ЭДС: или они просто компенсируют друг друга, или их совместное действие по контуру витка дает результирующую ЭДС, изменяющуюся по гармоническому закону. Предположим, что в рассматриваемой электрической машине площадь обмотки якоря, пронизываемая магнитным потоком, изменяется во времени по закону
S(t) = S_m•cos(ωt+ψ₁), (4)
где S_m - максимальная площадь;
ω - угловая скорость вращения якоря;
Ψ₁ - угол, характеризующий начальное положение обмотки;
а магнитная индукция возбуждения
B(t) = B_m•sin(ωt+ψ₂). (5)
Здесь B_m - амплитуда индукции;
Ψ₂ - начальная фаза.

Мгновенное значение магнитного потока, пронизывающего виток обмотки, согласно (2) будет
Φ(t) = Φ_m•cos(ωt+ψ₁)•sin(ωt+ψ₂), (6)
где Φ_m= B_m•S_m, - амплитуда потока, сцепленного с контуром.

Дифференцирование выражения (6) дает результирующую ЭДС в обмотке якоря:
(7)
Анализ уравнения (7) показывает, что при любых значениях Ψ₁ и Ψ₂ ЭДС в обмотке якоря изменяется по гармоническому закону двойной частоты и не имеет постоянной составляющей. "Баланс" между ЭДС вращения и трансформаторной ЭДС не нарушается.

Задачей заявленного изобретения является создание новой конструкции электрической машины постоянного тока, обеспечивающей повышение ее надежности.

Техническим результатом изобретения является получение постоянной составляющей ЭДС в обмотке якоря путем электромагнитных преобразований, но без применения коллектора или других коммутаторов.

Технический результат достигается тем, что в электрической машине, содержащей магнитную систему, состоящую из ферромагнитного якоря, вала и полюсов с обмоткой возбуждения, питающейся от источника переменного напряжения, обмотку якоря, уложенную в диаметрально противоположных пазах, два токосъемных кольца, соединенных с кольцами обмотки якоря, и неподвижные щетки, в магнитной системе полюса выполнены в виде двух Г-образных магнитопроводов, каждый из которых содержит два полюса с одинаковой магнитной проводимостью, соединенных направляющим стержнем, имеющим в плоскости, перпендикулярной оси вращения, размер, равный диаметру вала, причем магнитная система замкнута через четыре воздушных зазора между полюсами магнитопроводов, валом и якорем, а обмотка якоря выполнена Т-образной формы так, что имеет в каждом витке две пары активных проводников одинаковой длины, одна из которых уложена в пазах вала, а другая - в пазах на внешней поверхности якоря, наружный диаметр которого в A>1 раз больше диаметра вала, при этом виток обмотки якоря замыкается проводами, закрепленными по его торцам, а пространственное положение обмотки якоря синхронизировано с фазой синусоиды индукции так, что, когда мгновенное значение индукции равно нулю, оси обмоток возбуждения и якоря совпадают.

Совокупность перечисленных существенных признаков значительно уменьшает трансформаторную ЭДС в обмотке якоря, что нарушает упомянутый выше "баланс" в пользу ЭДС вращения, а именно той, которая возбуждается в активных проводниках, уложенных в пазах на внешней поверхности якоря, в результате чего обеспечивается постоянная составляющая ЭДС в обмотке якоря.

Проведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научным источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из выявленного типа аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем, поскольку не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На фиг. 1 и фиг. 2 изображена принципиальная конструктивная схема предлагаемой электрической машины, на фиг. 3 - обмотка якоря в виде одного витка (регулятор фазы синусоидальной индукции возбуждения относительно оси обмотки якоря не показан), на фиг. 4 и фиг. 5 - магнитная цепь машины, на фиг. 6 и фиг. 7 - виток обмотки якоря и основной магнитный поток Φ. На фиг. 8, фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11, фиг. 12, фиг. 13, фиг. 14 и фиг. 15 представлены рисунки, поясняющие принципы действия заявляемой электрической машины, а на фиг. 16 - теоретически полученная зависимость результирующей ЭДС обмотки якоря в функции времени за период.

Электрическая машина содержит (см. фиг. 1 и фиг. 2) немагнитную станину, состоящую из корпуса 1 и фланца 2, вал 3 с диаметрально расположенными пазами 4, якорь 5 с пазами 6, первый 7 и второй 8 Г-образные магнитопроводы, обмотку возбуждения 9, обмотку якоря 10, уложенную в пазах вала 3 и якоря 5, а также по торцам якоря 5, токосъемные кольца 11, изолированные от вала втулкой 12, щетки 13 (щеткодержатель не показан) и пластмассовую втулку 14, через которую якорь 5 жестко закреплен на валу 3. Вал 3 с якорем 5 и токосъемными кольцами 11 установлен соосно со станиной с возможностью вращения в подшипниках 15. На фиг. 3 представлен один виток обмотки якоря 10 (вид сверху) в момент времени, когда ее ось совпадает с осью обмотки возбуждения (в дальнейшем этот момент времени условно будем называть начальным). Стрелками показано направление намотки, а пунктиром - проекции полюсов Г-образного магнитопровода S₁ и S₂. Магнитный поток возбуждения (см. фиг. 4 и фиг. 5) замыкается по следующим участкам магнитной цепи: первый полюс 16 первого Г-образного магнитопровода 7, воздушный зазор между ним и якорем 5, якорь 5, воздушный зазор между последним и первым полюсом 17 второго Г-образного магнитопровода 8, направляющий стержень 18, второй полюс 19 Г-образного магнитопровода 8, воздушный зазор между ним и валом 3, вал 3, воздушный зазор между последним и вторым полюсом 20 первого Г-образного магнитопровода 7, направляющий стержень 21. Пунктиром показана средняя линия основного магнитного потока, стрелками (условно) - направление потока в первый полупериод изменения индукции поля возбуждения. На фиг. 6 изображен виток обмотки якоря в начальный момент времени. Стрелками обозначено направление намотки. На фиг. 7 представлены виток обмотки якоря 10 в начальный момент времени и основной магнитный поток Φ, пронизывающий плоскость витка.

Предлагаемая электрическая машина, например, в режиме генератора работает следующим образом.

Покажем сначала, что при условиях синхронизации, описанных выше, ЭДС вращения в активных проводниках aa₁ - a'a'', а также bb₁ - b'b'' (см. фиг. 3, фиг.6 и фиг 7) в течение периода всегда остаются одного направления, однако противоположного друг другу по контуру витка. При этом трансформаторная ЭДС, возбуждающаяся в проводах a₁c и c₁a', также одного направления в течение периода, такого, что по контуру витка она совпадает с направлением ЭДС вращения в проводниках bb₁ - b'b''. В силу симметрии магнитной системы и обмотки якоря 10 относительно оси вращения достаточно рассмотреть движение одной половины витка обмотки якоря за период, т. е. проводников aa₁ и bb₁ (в дальнейшем проводники a и b), а также провода a₁c.

На фиг. 8 показано изменение магнитной индукции B поля возбуждения в зависимости от угла поворота обмотки якоря ωt относительно горизонтальной плоскости. На фиг. 9 и фиг. 10 изображено несколько мгновенных положений проводников a и b, вращающихся вокруг оси с постоянной угловой скоростью ω в течение первого и второго полупериода изменения индукции B. Пунктиром обозначено направление магнитного потока Ф между соответствующими полюсами магнитной системы в первый и второй полупериоды. Знаком + ("от нас") показано направление намотки витка обмотки якоря 10, если наблюдать магнитную цепь по разрезу B-B на фиг. 4. В первый полупериод составляющая вектора линейной скорости, нормальная к линиям магнитной индукции, направлена вправо от наблюдателя, во второй полупериод - влево. Но во второй полупериод изменяется и направление поля. В результате, применяя правило правой руки, можно видеть, что в течение периода ЭДС вращения в проводнике a действует по направлению намотки витка, а в проводнике b - против. На фиг. 11 и фиг. 12 показаны мгновенные положения провода a₁c в течение периода, соответствующие положениям активных проводников а и b на фиг. 9 и фиг. 10. Проследим направление трансформаторной ЭДС в проводе a₁c. В первую четверть периода поток Φ направлен вниз и движется "к нам" (см. книги академика В.Ф. Миткевича, ссылка на которые дана на с. 1). По правилу правой руки трансформаторная ЭДС действует против направления намотки. Во вторую четверть периода изменяется направление движения потока Φ (теперь "от нас" +), но и провод a₁c "перевернулся": изменилось направление намотки обмотки якоря 10 по отношению к направлению линий поля возбуждения. Это объясняет сохранение прежним направление действия трансформаторной ЭДС во вторую четверть периода. Аналогичная картина в третьей и четвертой четверти периода. Итак, приходим к выводу, что ЭДС вращения в активном проводнике b и трансформаторная ЭДС в проводе a₁c в течение периода направлены согласно друг с другом, а ЭДС вращения в активном проводнике a - им навстречу. Однако среднее значение последней за период больше, чем суммарное среднее значение первых двух, что обеспечивает постоянную составляющую ЭДС за период. Докажем это.

В силу условий симметрии, упомянутых выше, достаточно рассмотреть электромагнитный процесс за первую четверть периода и обобщить результат на весь период. На фиг. 13, фиг. 14 и фиг. 16 представлена половина магнитной системы, если смотреть на нее по разрезу B-B на фиг. 4. Цифровые обозначения деталей магнитной цепи те же, что и на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 4. Заметим, что в первую четверть периода, когда индукция поля возбуждения возрастает, магнитный поток, направленный вниз (см. фиг. 4 и фиг. 11), движется к наблюдателю (см. книги В. Ф. Миткевича, упомянутые на с. 1). При этом ширина фронта движущегося поля равна ширине направляющих стержней магнитопроводов и равна диаметру вала 2R. Точками a и b на фиг. 13 показано положение активных проводников a и b в начальный момент времени, точками a' и b' - несколько мгновенных положений активных проводников при вращении обмотки якоря 10 за четверть периода. Провод a₁c (см. фиг. 3) в рассматриваемой проекции магнитной системы находится за якорем 5 по отношению к наблюдателю. На фиг. 13 провод a₁c показан жирной линией, невидимая за якорем часть его дана пунктиром, а стрелкой обозначено направление намотки. Точки a₁ и c на фиг. 13 не показаны, чтобы не затемнять чертежа, однако в дальнейшем будем иметь в виду, что длина провода a₁c равна отрезкам ab, a'b' и т.д. Как будет показано ниже, за четверть периода можно выделить три интервала времени, в течение которых различаются условия электромагнитного взаимодействия вращающейся с угловой скоростью ω обмотки якоря 10 с полем возбуждения. Проанализируем результирующую ЭДС в витке обмотки якоря 10 на каждом интервале, руководствуясь формулами (2) и (3) и приведенными выше к ним пояснениями.

Интервал I фиг. 13. Определим прежде всего величину угла β.

Как было уже упомянуто ранее, необходимо конструктивно обеспечить равенство магнитных проводимостей между обоими полюсами 16 и 20 магнитопроводов, что при равенстве воздушных зазоров означает (без учета потоков рассеяния и выпучивания) равенство площадей полюсов при одинаковых длинах l_a активных проводников a и b. Это равенство обеспечивается при условии (см. фиг. 4) равенства соответствующих длин дуг:
(8)
где A - отношение радиусов якоря 5 и вала 3.

Откуда следует
(9)
То есть при любом A>1 величина угла β, вычисленная по (9), обеспечивает равенство площадей полюсов магнитопровода. Проекции полюсов на горизонтальную плоскость S₁ и S₂ (см. фиг. 3) в сумме составляют площадь витка, пронизываемую основным магнитным потоком. Из фиг. 7 следует, что в начальный момент времени магнитный поток пронизывает площадь витка обмотки якоря дважды и в противоположных направлениях так, что результирующий поток, сцепленный с контуром витка, равен нулю. Однако при вращении витка на первом интервале этот баланс нарушается в пользу потока, пронизывающего контур витка в направлении "вниз", причем величина этого потока (см. фиг. 13) пропорционально площади
S₁(t) = bd • l_a, (10)
где l_a - длина активного проводника b.

Из фиг. 13 следует, что
bd = R-R•cosωt = R(1-cosωt). (11)
Подставляя в (10), получаем
S₁(t) = l_a•R(1-cosωt) = S_m•(1-cosωt), (12)
Если индукция поля возбуждения синусоидальна, то
Φ₁(t) = B(t)•S₁(t) = B_m•S_m•sinωt•(1-cosωt). (13)
Дифференцирование выражения (13) дает результирующую ЭДС в витке на I интервале:
(14)
Здесь Φ_m= B_m•S_m - максимальный поток, первый член в правой части - ЭДС вращения, возбуждающаяся в активном проводнике b, второй член - трансформаторная ЭДС, наведенная в проводе a₁c. Заметим, что на I интервале движение активного проводника a не оказывает влияния на поток, сцепленный с витком.

Интервал II фиг. 14. Через α обозначен угол ωt в тот момент времени, когда провод a₁c по всей длине пересекается движущимся (согласно представлениям В. Ф. Миткевича, см. с. 1) магнитным потоком. Из фиг. 14 следует, что
. (15)
Выше отмечалось, что условия движения активного проводника b и провода a₁c на I интервале таковы, что увеличивается поток, сцепленный с витком и направленный вниз по отношению к наблюдателю. На интервале II данные условия сохраняются, и мгновенное значение этого потока определяется выражением (13). Однако движение активного проводника a на интервале II уменьшает его на величину Φ_a(t), пропорциональную отрезку fg (см. фиг 14):
(16)
Поток, на величину которого уменьшается потокосцепление витка, будет
(17)
где Φ_m= Β_m•S_m, a S_m = R • l_a - максимальная площадь, такая же, что в выражении (12).

Окончательно мгновенное значение магнитного потока, сцепленного с витком на II интервале, будет
(18)
После упрощений выражения (18), получаем
(19)
Дифференцирование (19) дает результирующую ЭДС на втором интервале:
(20)
Здесь первый член в правой части - суммарная от движения проводников a и b ЭДС вращения, второй член - трансформаторная ЭДС.

Интервал III Из фиг. 15 видно, что на данном интервале потокосцепление витка определяется магнитным потоком, распределенным по площади, пропорциональной отрезку md. Из треугольника ha^νb^ν следует
md = hb^ν= R(A-1)•cosωt. (21)
Мгновенное значение потока будет
Φ₃(t) = B(t)•S₃(t) = Φ_m•(A-1)•sinωt•cosωt. (22)
Продифференцировав (22) получим выражение для результирующей ЭДС в витке на III интервале:
(23)
Первый член в правой части (23) - ЭДС вращения в проводниках a и b, второй представляет собой трансформаторную ЭДС.

Расчеты показывают, что интегрирование выражений (14), (20) и (23) в соответствующих пределах дает следующие средние за четверть периода значения результирующей ЭДС E_ср на каждом интервале:
на I интервале
(24)
на II интервале
(25)
на III интервале
(26)
Окончательно среднюю за первую четверть периода ЭДС в витке обмотки якоря 10 находим как сумму соответствующих средних значений на каждом интервале:
(27)
Как было показано выше, такой же будет среднее значение результирующей ЭДС в витке за период. Расчеты показывают, что предел функции (27) при A → ∞ будет
(28)
Этот предел быстро сходится и уже при A=4
(29)
А это означает, что предлагаемая электрическая машина может быть изготовлена и иметь практическое значение.

По формулам (14), (20) и (23) с помощью пакета MATHCAD v.6.0 Professional был построен график результирующей ЭДС в обмотке якоря за период e_p(ωt), представленный на фиг. 16. Там же показано среднее за период значение постоянной составляющей, равной E_ср = 0,066 В. При расчетах были приняты следующие исходные данные: коэффициент A=4, число витков обмотки якоря 8, максимальный поток, сцепленный с обмоткой якоря, Φ_м= 2,5•10^-5 Вб, угловая частота вращения ω = 314 рад/с, период T = 0,02 c, β = 22,5^°, α = 75,5^°. Результаты опыта подтверждают теоретические выводы, изложенные выше.

Достоинством предлагаемой электрической машины является повышение надежности машины постоянного тока, но главный результат в том, что получена постоянная составляющая ЭДС якоря без применения коллектора или других коммутаторов. Это свидетельствует о том, что данная задача не так безнадежна, как принято считать, и что нужны поиски других более эффективных вариантов, конечной целью которых будет создание нового класса электрических машин.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий: средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, а именно в электромашиностроении;
для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств;
средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость". Ы Ыр

Использование: в электромашиностроении. Техническим результатом является получение постоянной составляющей ЭДС в обмотке якоря путем электромагнитных преобразований без применения коллектора или других коммутаторов. Обмотка возбуждения (9) питается от источника переменного напряжения. Магнитная система электрической машины включает полюса, выполненные в виде двух Г-образных магнитопроводов (7 и 8). Каждый из них содержит два полюса соответственно с одинаковой магнитной проводимостью, соединенных направляющими стержнями, имеющими в плоскости, перпендикулярной оси вращения, размер, равный диаметру вала (3). При этом магнитная система замкнута через четыре воздушных зазора между полюсами магнитопроводов (7, 8), валом (3) и якорем (5). Обмотка якоря выполнена Т-образной формы так, что имеет в каждом витке две пары активных проводников одинаковой длины, одна из которых уложена в пазах (4) вала (3), другая - в пазах на внешней поверхности якоря (5). Замыкается виток обмотки якоря проводами, закрепленными по его торцам. Наружный диаметр якоря (5) в А>1 раз больше диаметра вала (3). Пространственное положение обмотки якоря синхронизировано с фазой синусоиды индукции поля возбуждения так, что когда мгновенное значение индукции равно нулю, оси обмоток возбуждения (9) и якоря совпадают, при этом существенно уменьшается среднее за период значение трансформаторной ЭДС в обмотке якоря. 16 ил.

Электрическая машина, содержащая магнитную систему, состоящую из ферромагнитного якоря, вала и полюсов с обмоткой возбуждения, питающейся от источника переменного напряжения, обмотку якоря, уложенную в диаметрально противоположных пазах, два токосъемных кольца, соединенных с кольцами обмотки якоря и неподвижные щетки, отличающаяся тем, что в магнитной системе полюса выполнены в виде двух Г-образных магнитопроводов, каждый из которых содержит два полюса с одинаковой магнитной проводимостью, соединенных направляющим стержнем, имеющим в плоскости, перпендикулярной оси вращения, размер, равный диаметру вала, причем магнитная система замкнута через четыре воздушных зазора между полюсами магнитопроводов, валом и якорем, а обмотка якоря выполнена Т-образной формы так, что имеет в каждом витке две пары активных проводников одинаковой длины, одна из которых уложена в пазах вала, а другая - в пазах на внешней поверхности якоря, наружный диаметр которого в А > 1 раз больше диаметра вала, при этом виток обмотки якоря замыкается проводами, закрепленными по его торцам, а пространственное положение обмотки якоря синхронизировано с фазой синусоиды индукции поля возбуждения так, что когда мгновенное значение индукции равно нулю, оси обмоток возбуждения и якоря совпадают.